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Thunderbolt 3とUSB Type-Cの関係性について調べた

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Thunderbolt 3とUSB Type-Cの相関関係について調べました。

はじめに

Thunderboltは仕様が一般に公開されていないため、この記事の内容が完全に正確であるという保証はできません。

その点を踏まえてお読みいただきますよう、お願いします。

Thunderboltとは

私は今までMacを使用したことがなかったので、そもそもThunderboltという規格がよくわかっていませんでした。

ということで手始めにWikipediaを頼ってみたところ、
・Intelが主導して策定した外部接続用の規格
・同世代のUSBと比較して転送速度が早い
・TB1、TB2の端子の形状はMini DisplayPortと同じ
・TB3ではUSB Type-Cと同じ形状に変更
・ベースとなった通信プロトコルはPCI ExpressとDisplayPort

とのこと。

これだけ分かれば”きっかけ”としては十分です。

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動作原理

PC Watchによると、Thunderbolt 3はUSB Type-Cに実装されているAlternate Modeという仕組みを利用して動作しているとのことです。

なるほど、Alternate Mode。

Alternate Modeとは

USB Type-Cで実装された、USB Type-Cポート/ケーブルを使用して別の規格の信号を流すモードです。流せる信号としてはDisplayPort、HDMI、Thunderbolt、MHLの4種が策定されています。(記事作成時点)

原理としては以下のようになっています。まずはこの画像を見てください。

usb-pin-assign

via EEWeb

見れば一目瞭然ですが、USB Type-Cは従来のUSB端子と比較してピンの数が2倍以上になっています。当然、USBの信号を流すだけであればこんなにピンは必要ありません。

では余ったピンを何に使うのかと言うと、Alternate Modeです。

USBの信号を流すだけでは使わないピンが出てきますので、この使っていないピンで”USB以外”の信号を流す、というのがAlternate Modeの大まかな仕組みです。

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ポート

AppleのMacBook ProシリーズやDELLのXPSシリーズなどにはThunderbolt 3ポートが用意されていますが、これらのThunderbolt 3ポートでは問題なくUSB機器を使用することが可能です。

現時点(記事作成時点)で存在しているThunderbolt 3用コントローラはIntelのAlpine Ridgeのみで、そのAlpine RidgeはThunderbolt 3、USB 3.1、Displayport 1.2をサポートしているため、現在販売されているPCに搭載されているThunderbolt 3ポートはThunderbolt接続、USB接続、DisplayPort接続(Alt Mode)の3つが可能です。

thuderbolt3-macbookpro2016

ちなみにですが、Alpine Ridgeはホストとデバイスの両方に対応したコントローラですので、”Thunderbolt 3外付けSSD”のような製品をPCのUSB Type-Cポート(非Thunderbolt 3ポート)に接続した場合でも、USB機器として利用できるものと考えられます。

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ケーブル

まずは発表時のスライドを見てみます。

thuderbolt3-slide3

3種のケーブルが載っていますが、1番下の”Active 40Gbps optical cables”は業務用途で使われる光ケーブルであるため、それ以外の赤枠で囲った2種類のケーブルについて説明します。

Active/Passiveとは

Active/Passiveというのは、信号を補正したり増幅する機能を持っているかどうか、ということを表しています。

信号補正・増幅機能を持ったケーブルをActiveケーブルと呼び、そういった機能のないケーブルをPassiveケーブルと呼びます。これはThunderboltに限った呼び方ではなく、ケーブル全般で使われる呼称です。(HDMIケーブルの例)

“40Gbps対応=Activeケーブル”ではない

上のスライドを見る限りでは「40GbpsはActiveケーブルのみ、Passiveケーブルでは20Gbpsまで」という勘違いをしやすいのですが、実は違います。

そもそも、なぜActiveケーブルが信号を補正したり増幅したりするかというと、そのままではノイズや信号の減衰で40Gbpsもの速度を確保できないからです。つまり、ケーブルが短ければノイズや信号の減衰の影響が小さいため、信号を補正したり増幅したりせずとも速度を確保できる、ということになります。

そんな訳で、0.5mという長さにすることによって転送速度40Gbpsを確保したPassiveケーブルが各社から販売されています。(Apple/BelkinCable MattersPlugableStarTech)

互換性 (Passiveケーブル)

Thunderbolt 3の発表時には「USBのケーブルを流用できる」という旨の説明がされていたものの、その後のITmediaの記事では「PassiveでもThunderbolt 3用ケーブルが必要になる」という関係者の発言が報じられているため、結局USBケーブルの流用はできないと思ったほうが良さそうです。

ただ、これはUSBケーブルの流用ができなくなっただけで、Thunderbolt 3 PassiveケーブルをUSBケーブルとして流用することはできる模様です。Cable MattersのPassiveケーブルはThunderboltとUSB IFの両方の認証を取得しているので、恐らく他社のPassiveケーブルもUSBケーブルとして流用できるものと思われます。

互換性 (Activeケーブル)

そもそもActiveなThunderbolt 3ケーブルは製品例が少ないので憶測になりますが、Activeケーブルは取り扱える信号の種類が減っている模様です。

Thunderbolt 3発表時のスライドを見てみると、Activeケーブルの方ではDisplayPortの記述がなくなっています。つまり、ActiveケーブルではAlternate ModeによるDisplayPort接続が利用できないということになります。

thuderbolt3-slide3

また、USBに関しても曖昧な状況です。

上のスライドではActiveケーブルでもUSB 3.1接続ができることになっていますが、数少ないActiveケーブルであるApple取扱いのBelkin製ケーブルHKK22ZM/Aを見てみると、USBへの対応はUSB 2.0止まりとなっています。(Belkinの中の人もUSB 2.0対応と言っているので誤表記という訳ではなさそう)

もう1つのActiveケーブルであるCable Mattersの107012も製品ページを見てみると「Not compatible with USB-C computers for video or data transfer Specifications」、つまり「USB機器でのデータ転送や映像表示とは互換性がない」と記載されています。

以上により、ActiveケーブルではDisplayPortやUSBに対する互換性が確保されていないと考えた方が良さそうです。

どのケーブルを使えば良いのか

外付けSSDのようなThunderbolt 3製品であれば長さと転送速度に応じて何も考えずにThunderbolt 3ケーブルを買えば良いだけですが、ディスプレイになると途端にややこしくなります。

まずLG UltraFine 4k Displayですが、このディスプレイはAlternate ModeによるDisplayPort接続であるため、ActiveなThunderbolt 3ケーブルでは接続できないことになります。そのため、接続するためにはPassiveなThunderbolt 3ケーブルもしくはUSB 3.1なC to Cケーブルが必要となります。

逆にLG UltraFine 5k Displayですが、このディスプレイはDiaplayPort接続ではなくThunderbolt 3接続であるため、Thunderbolt 3ケーブルが必要になります。しかも20Gbpsでは帯域が足りないため、ActiveなThunderbolt 3ケーブルが必要となります。(=LG UltraFine 4k Displayには使えないケーブル)

どちらのディスプレイもケーブルが付属するので、とりあえずはそれを使えば良いですが、何らかの事情でケーブルを買う必要が出てきた場合には注意して購入する必要があります。

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その他

Thunderbolt 3の規格について、USB Type-Cと関係あるなしに関わらずザックリとまとめておきます。

電力供給

発表時のスライドによると、
USB Type-Cの規格に基づく5V/3A給電 (必須)
USB PDに基づく最大100Wまでの給電 (オプション)
とのことです。

thuderbolt3-slide2

電力供給に関してはほぼUSB Type-CとUSB PDに準拠しているようです。

流せる信号プロトコル

流せる信号はUSB、DisplayPort、PCI Express、Thunderboltの4種となっています。

thuderbolt3-slide1

Razer Coreのような製品を利用することによってデスクトップ用のグラフィックボートをノートPCでも利用できるようになりますが、接続の帯域はPCIe 3.0 x4なため、デスクトップPCのようなx16接続時と比べて性能は落ちるようです。

thuderbolt3-slide5

外部ディスプレイ

ActiveなThunderbolt 3ケーブルを使うことにより、最大で”2台の4k@60fpsディスプレイ”もしくは”1台の5k@60fpsディスプレイ”を使用することが可能となっています。

また、あまりシチュエーションは想像できませんが、”PC-ディスプレイ-外付けHDD”のようなデイジーチェーン(数珠つなぎ)にも対応しています。デイジーチェーンは最大で6デバイスまで可能とのことです。

thuderbolt3-slide4

Quick Chargeに使うとTB3ケーブルは壊れる

Thunderbolt 3ケーブルを含む、一部のC to Cケーブルをスマホの充電に使った場合、その高級ケーブルが破壊されて燃えないゴミになってしまいます。

Thunderbolt 3ケーブルまとめ

将来Thunderbolt 3対応デバイスを買った時のために備忘録としてまとめておきます。

Activeケーブル

メーカー/ブランド 製品名/型番 USB PD 長さ Amazon.co.jpリンク メーカー製品ページ
Apple (Belkin) HKK22ZM/A 3A 2m Apple
Cable Matters 107012 3A 1m Cable Matters

Passiveケーブル

メーカー/ブランド 製品名/型番 転送速度 USB PD 長さ Amazon.co.jpリンク メーカー製品ページ
Apple (Belkin) HKK12ZM/A (F2CD082ds0.5MBK) 40Gbps 3A 0.5m Apple
Belkin F2CD081 20Gbps 3A 1m Amazon.co.jp Belkin
Cable Matters USB認証品 107002 40Gbps 3A 0.5m Amazon.co.jp Cable Matters
20Gbps 1m / 2m Amazon.co.jp Cable Matters
Plugable TBT3-40G50CM 40Gbps 3A 0.5m Amazon.co.jp Plugable
TBT3-20G1M 20Gbps 3A 1m Amazon.co.jp Plugable
TBT3-20G2M 20Gbps 3A 2m Amazon.co.jp Plugable
StarTech TBLT34MM50CM 40Gbps 3A 0.5m Amazon.co.jp StarTech
TBLT3MM1M 20Gbps 3A 1m Amazon.co.jp StarTech
TBLT3MM2M 20Gbps 3A 2m Amazon.co.jp StarTech

所感

ケーブル周りがややこしすぎます。端子の形状が同一であるため、どんな理由にせよActiveケーブルはUSB 3.1 C to Cケーブルとの互換性を切るべきではなかったと思います。無用の混乱を招くだけです。

参考

■Thunderbolt – Thunderbolt™ Update
https://thunderbolttechnology.net/sites/default/files/tbt3presentation.pdf

■USB IF – USB Type-C Specification Rev 1.2
http://www.usb.org/developers/docs/

■StarTech.com – Thunderbolt™ 3: The Basics
https://blog.startech.com/post/thunderbolt-3-the-basics/

■PC Watch – 【詳報】Intel、USB Type-Cコネクタを採用し、40GbpsになったThunderbolt 3を発表
http://pc.watch.impress.co.jp/docs/news/event/705100.html

■ITmedia – Intelが「Thunderbolt 3」を発表――USB 3.1 Type-Cとの共存で延命へ【詳報】
http://www.itmedia.co.jp/pcuser/articles/1506/03/news054.html

■週刊アスキー – USB Type-Cを利用した、最速40Gbpsの“Thunderbolt 3”登場:COMPUTEX 2015
http://weekly.ascii.jp/elem/000/000/343/343291/

■ITmedia – USB Type-CとThunderbolt 3の“紛らわしい関係”をIDF 2015で整理する
http://www.itmedia.co.jp/pcuser/articles/1508/25/news068.html